Revisión de propiedades clave
La siguiente lista representa varios de las propiedades físicas críticas que debe ser examinado en el diseño del proceso y optimización de procesos:
1. Estado físico de un material en sala temperatura, junto con su fusión, punto de ebullición o de congelación
2. solubilidad
3. Densidad
4. Viscosidad
5. Calor específico
6. Calor de la formación.
7. Comportamiento azeotrópico.
Además de los mencionados anteriormente, otras propiedades físicas pueden tener Para ser considerado para procesos específicos y aplicaciones, pero las anteriores son El más utilizado en el proceso Desarrollo, ampliación y proceso diseño.
Estado físico
El estado físico de un químico en la habitación temperatura, su fusión, ebullición o punto de congelación, junto con la solubilidad, dice mucho a los desarrolladores de procesos acerca de cómo se puede manejar el producto durante el proceso de desarrollo y en una Operación comercial. Es aconsejable manejar cada sustancia química con respeto, incluso si la literatura del producto sugiere Baja o nula toxicidad. Cantidades químicas Las utilizadas en el laboratorio son pequeñas, por lo que manejarlos de manera segura es generalmente más fácil. Sin embargo, las cantidades requerido para experimentos de escalado y las operaciones a escala comercial son más altas y se utilizan diferentes métodos para manipular y alimentar materiales.
Productos químicos sólidos, cuando se utilizan en una ampliación u operación comercial, Requerirá equipo adecuado para alimentar a la velocidad deseada mientras se controla emisiones de polvo. Precauciones adicionales podría ser necesario al manejar Materiales tóxicos. Otra forma de manejar Los materiales sólidos pueden ser por disolución o suspendiéndolos en solvente apropiado, preferiblemente el que se está utilizando en el proceso. Cuando se utilizan lodos en una proceso, es importante que la suspensión ser uniforme Si se alimenta al reactor o al El recipiente de formulación no es uniforme, el La calidad del producto variaría para un proceso continuo y podría resultar en una pérdida financiera potencial. Velocidad de alimentación variable puede influir en el producto de proceso por lotes calidad también. Cada situación tiene que ser considerada de forma individual.
Solubilidad
La solubilidad no es una propiedad exótica sino Es una propiedad importante y valiosa. La solubilidad mutua o la falta de ella, Puede ser muy útil en reactivos químicos, Procesamiento y formulaciones. Si los reactivos y el producto de reacción se disuelven. En el mismo disolvente, la velocidad de reacción puede mejorar a través de la masa mejorada transferir. La Solubilidad de los materiales en Los disolventes utilizados en los productos formulados mejoran la mezcla y dan como resultado una producto uniforme Las características de solubilidad de los productos químicos también son críticas para Cristalización del producto, purificación. Y separación de productos. En general, una solubilidad más alta se considera más valiosa, pero baja La solubilidad también puede ser útil, especialmente. Para la separación de productos químicos. En reactivo procesos, baja solubilidad puede ser utilizado efectivamente para separar fases y Productos de reacción para mejorar el proceso y rendimiento.
Densidad
La densidad se define como masa por unidad volumen, y muestra masa relativa a otros productos químicos. En un fondo sistema mixto, la densidad podría no tener valor, pero es una de las propiedades únicas que se pueden usar efectivamente para Separación de dos líquidos inmiscibles.
Viscosidad
La importancia de la viscosidad es diferente en las reacciones químicas en comparación con los productos formulados. La viscosidad es importante Al alimentar, mezclar y bombear líquidos. Es mejor reducir la viscosidad a sus niveles más bajos para facilitar la adición, el bombeo y la mezcla. Esto puede se logrará ya sea por disolución en disolventes adecuados, o calentando el líquidos, aunque la estabilidad del líquido debe ser considerado cuidadosamente. Los disolventes preferidos deben ser los que se están utilizando en el proceso. En Determinados productos formulados, viscosidad. El control es necesario para el rendimiento del producto y sus aplicaciones.
Calor especifico
El calor específico de un químico es una propiedad importante y tiene valor en las reacciones químicas. Para reacciones químicas, es importante controlar el calor de La reacción, y el calor específico determina. Cuanto calor necesita ser removido Los valores de calor específicos impactan la inversión de capital porque afecta el tamaño de El equipo de transferencia de calor requerido.
Calor de formación
El control efectivo del calor de formación puede reducir el tiempo de residencia de la reacción, que a su vez, reduce el tamaño del equipo (es decir, inversión) y es utilizado para la adición de materia prima.
Comportamiento azeotrópico
el comportamiento azeotrópico de los productos químicos puede ser utilizado muy creativamente en la manipulación de procesos de reacción. Imagina un proceso de reacción donde la mezcla líquida tiene Un azeótropo y los productos químicos son inmiscible. La combinación de estos dos propiedades pueden ser utilizadas muy efectivamente no solo para controlar una reacción exotérmica pero también se utiliza para mejorar el rendimiento.
Ejemplos
Las propiedades físicas son herramientas valiosas para el creador y manipulador del proceso, y él o ella pueden aprovechar de ellos al crear y simplificar un proceso. Explotando varias propiedades físicas diferentes en un proceso. Es un reto estimulante con momentos de éxito y fracaso. Sin embargo, los fracasos deben ser vistos como aprendizaje Experiencias que te ayudarán en el futuro aplicaciones Al desarrollar procesos, los ingenieros deben buscar incorporar cualquier cosa y todo lo que puedan imaginar. La imaginación y la creatividad pueden conducir a formas no convencionales de explotación propiedades químicas únicas y su Interacciones para llegar a excelentes procesos.
Algunos de los ejemplos de cómo las propiedades físicas pueden manipularse para simplificar el proceso se incluyen aquí:
Uso de materias primas fundidas.
Enfoque tradicional: un primario
La materia prima "A" es sólida a temperatura ambiente. Su punto de fusión es de unos 65 ° C. Reacciona con el químico “B”, un Líquido, en presencia de un catalizador sólido. La reacción se lleva a cabo a aproximadamente 75 ° C. El producto resultante "C" es Un líquido a temperatura ambiente. Los La mezcla producto-disolvente se hace reaccionar más. Tradicionalmente, “A” se disolvería. En un disolvente y se añade al reactor. El catalizador se agregaría usando métodos apropiados. Concentración de “A” en el solvente es aproximadamente el 25% para tener una solución soluble
Enfoque alternativo: dado que el punto de fusión de la materia prima "A" es bajo y lograr una reacción razonable. Velocidad requiere que la masa de reacción sea calentado a una temperatura más alta que el punto de fusión de "A", puede ser eficiente y productivo para alimentar el crudo El material “A” como fundido. Adición de fusión Sube la temperatura de la reacción. Masa más rápida que calentar la reacción. Masa a partir de la temperatura ambiente. Esta reducirá el tiempo de ciclo del lote proceso. La temperatura de reacción puede ser Controlado mediante estrategias de control de procesos convencionales. Si el proceso es continuo, manteniendo la temperatura de reacción a la temperatura deseada puede controlar La velocidad de reacción. Porque el solvente Se sustituye por una masa fundida, la productividad del proceso mejora considerablemente. Ya que El producto “C” es un líquido a temperatura ambiente, el uso de una masa fundida también aumenta el proceso. Productividad. Uso reducido de solventes también reduce la carga de recuperación de solvente y Mejora la sostenibilidad del proceso. Para ser viable, el método alternativo. Tiene algunas advertencias incorporadas, incluyendo que la materia prima "A" tiene que estar disponible en forma de fundido, y la volumen de producción tiene que ser grande suficiente para justificar el material fundido manejo de inversiones. Hay numerosos casos donde Se pueden utilizar materias primas fundidas. Con un control estequiométrico muy ajustado. Cada situación tiene que ser evaluada. El producto resultante puede ser purificado. Utilizando diferentes operaciones unitarias y cristalizado para producir productos con La calidad deseada. Tales procesos son ambientalmente más sostenible, Productivos y altamente rentables en comparación con los procesos basados en solventes.
Uso de la separación de fases.
Caso A: en algunas reacciones, se debe eliminar un subproducto, como el agua. Si el disolvente es insoluble en agua, y Si sus densidades son suficientemente diferentes, entonces la solubilidad y la densidad. Las diferencias se pueden utilizar para separar la Dos y el solvente puede ser reciclado. De vuelta al proceso. En procesos donde el agua forma un azeótropo con el solvente, el agua es Se evaporó con el solvente y La mezcla se condensa. Uso de frío agua en el condensador de cabeza puede No solo mejorar la condensación de La mezcla azeotrópica, pero dado que la temperatura del disolvente será menor en comparación con la de la condensación usando torre de enfriamiento de agua, la velocidad de reacción puede ser mejorada. Esto bajará el Ciclo por lotes de tiempo y mejora la rentabilidad.
Caso B: la separación de fases se puede utilizar eficazmente para mejorar el rendimiento del proceso. En La siguiente reacción, intermedios. Se producen "C" y "D". Intermedio "C" es soluble en agua y "D" es soluble en un disolvente orgánico. En la reacción posterior, estos dos intermedios se hacen reaccionar para producir el producto "E". Sin embargo, el intermedio “D” se hidroliza. Para producir un producto no deseado si se deja En contacto con el agua, y el rendimiento del proceso.se reduce significativamente: A + B = C +D=E
Para preservar el rendimiento, es mejor separar las dos fases y mezclarlas solo Antes de que comience la producción de “E”. La patente de EE.UU. 7,078,524 discute Una reacción química donde dos isómeros son producidos. Uno es un producto farmacéutico deseado y el otro no puede convertirse en un producto vendible. Sin embargo, el rendimiento global del proceso es mejorado si el isómero no deseado es Aislada y reciclada después de la separación. El proceso sugerido en la patente. Se puede simplificar significativamente a través de Selección solvente creativa. Fueron los procesos descritos para ser comercializados. Como se indica en la patente, sería Ser engorroso y extendería el tiempo de ciclo de lote significativamente. Sin embargo, a través de la selección apropiada del solvente, el isómero "no deseado" puede ser reciclado in situ, el proceso podría ser No solo simplificado, sino también el rendimiento del proceso. Se mejoraría Esto es un ejemplo de cómo la creatividad humana, junto con La capacidad de perfeccionar las características físicas podría generar un mejor proceso: un posible momento "Eureka". Para cualquier proceso químico reactivo, La selección del solvente es extremadamente importante, especialmente cuando se trata de separación de fases. Mayor diferencia en Las densidades facilita y aceleran. Separación de fases. Reconocer que la densidad de la solución aumenta a medida que aumenta la solidez. Disuelto en un solvente. Si las densidades De las soluciones que se deben separar se aproximan, la separación puede convertirse en un desafío y llevará más tiempo. Por eso es importante elegir disolventes tal que hay una densidad notable Diferencia bajo las condiciones del proceso. Esta diferencia puede acelerar el Separación, bajando el procesamiento/hora. Desde un punto de vista de fabricación, el tiempo de proceso reducido a través de una separación más rápida es importante Aprovechar la exotermia Debido a las limitaciones de la capacidad del equipo durante el desarrollo del proceso en el laboratorio, la exotermia se controla disminuyendo la reacción. Temperatura con hielo o agua fría o disminuyendo la velocidad de adición de materia prima. Cuando tales procesos son Escalado, la misma práctica continúa. Estos métodos funcionan, pero prolongan el tiempo de reacción y reducen la Procesar la productividad. Es bien sabido que elevar el La temperatura de reacción acelera la velocidad de reacción y puede mejorar el rendimiento. UNA La reacción exotérmica se puede controlar de manera muy eficaz mediante el uso eficiente de intercambiadores de calor. Existen tecnologías comerciales para hacer esto. ¿Qué variables pueden ser manipuladas (tales como, método de alimentación, flujo, caudal, control de temperatura, etc.) y cómo Se controlan, mejorarán las ganancias a través del desarrollo de un sistema más sencillo. Y un proceso más sostenible, Controlando las exotermas con eficacia y tan pronto como suceden, usando calor. Los intercambiadores no solo pueden mejorar la proceso de rendimiento, pero hace que el proceso Más seguro y evita la formación de color. Cuerpos que pueden ocurrir debido a localizada generación de calor. Los intercambiadores de calor en línea en un sistema de bombeo representan Uno de los métodos. Otros métodos son Dependiente de la situación.
Creando excelentes procesos.
Los ingenieros son educados rutinariamente Sobre las propiedades físicas y químicas de los reactivos comunes, solventes, Y productos. Sin embargo, generalmente no se les enseña cómo explotarlos creativamente para desarrollar procesos que son sencillos, sostenibles y económicos.
Metodología del hallazgo a la finura
Estas propiedades en procesos simplificados provienen de una comprensión firme de las propiedades y de la experiencia previa de propiedades químicas, debe estar integrado con el correcto uso de operaciones unitarias y control de estequiometría adecuado para producir una calidad, producto. Tales procesos serán más Robusto, económico y que requerirá pruebas mínimas durante el proceso de productos intermedios. Los productos tendrán consistencia y calidad repetible, y por lo tanto, costo más bajo. La comprensión incompleta y pobre manipulación de lo físico, las propiedades de los productos químicos en un proceso y sus interacciones pueden conducir a cuestiones de calidad.
Trabajando con personas creativas que son “maestros en manipulación” de Las propiedades químicas ayudan mucho.
Un reto clave para los químicos y Ingenieros de procesos tanto en el ámbito químico como farmacéutico es obtener una comprensión completa De los matices de las propiedades físicas de los químicos que trabajan con, y pensar con cuidado – desde Las primeras etapas del diseño del proceso y desarrollo - sobre cómo aprovechar esas propiedades para crear un proceso simple
